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PLoS Genetics | 罗述金徐霄课题组揭示鸟类眼色多样性的遗传与演化

日期: 2021-09-11

2021年9月10日,英超买球app手机版、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心罗述金课题组与中科院动物所邹征廷课题组在PLoS Genetics上合作发表论文,通过全基因组和转录组分析鉴定出决定家鸽眼色多样性的基因SLC2A11B,其功能缺失突变导致虹膜缺乏黄色形成白眼性状,并在家鸽驯化过程中长期受到人工选择。SLC2A11B与部分鸟类蓝或棕黑眼色相关,在鱼类和爬行类动物参与皮肤颜色决定,在鸟类则经历显著的放松选择,推测与鸟类从爬行类祖先演化过程中皮层色因羽毛遮盖而功能冗余相关,为理解动物色素多样性的形成和演化提供了新的视角。

脊椎动物丰富的毛色/肤色表型在伪装、性选择、个体间交流以及体温调节等方面具有重要作用,而色素色彩主要由黄/红色素、虹彩/白色素以及黑色素细胞等三类色素细胞决定。在鸟类的皮肤中,仅表皮层存在黑色素细胞,真皮层色素细胞完全缺失;然而眼睛虹膜却保留了发育出完整的三种色素细胞的潜能。经历了5000多年驯化和人工选育的家鸽呈现丰富的表型多样性,为探索鸟类色彩提供了理想的研究模型。家鸽眼色主要分为三种:黄眼(虹膜含类黄色素细胞以及蝶啶和嘌呤两类色素成分)、白眼(虹膜含类白色素细胞,缺蝶啶只含嘌呤类色素成分)、牛眼(虹膜不含色素细胞)。繁育实践表明白眼相对于野生型黄眼为单基因常染色体隐性性状,然而具体遗传机制不得而知。

本研究基于92只家鸽的全基因组测序和全基因组关联分析(GWAS)鉴定出家鸽白眼性状决定基因为SLC2A11B无义突变W49X。SLC2A11B编码一个12跨膜区转运蛋白,已知其突变影响鱼类黄色素细胞的发育分化。转录组分析发现家鸽SLC2A11B的功能缺失可能会下调与黄色素细胞发育分化相关的关键基因CSF1R及黄色蝶啶类色素合成通路关键基因GCH1,使得蝶啶合成通路受阻,形成白眼性状。系统发育分析表明该SLC2A11B突变起源于距今约5400年前,突变位点附近检测到强烈的选择扫除信号,符合该性状可能作为家鸽的驯化标志受到长期人工选择的假说,从基因组层面拓展了对家鸽驯化起源的理解。

通过对已发表鸟类SLC2A11B蛋白序列进行比对及功能预测,在6种虹膜缺乏黄色色素的鸟类(眼色为蓝色或棕黑色)均发现影响正常功能的非同义突变,证明SLC2A11B对于黄眼性状可能的保守功能及其在鸟类眼色多样性形成的作用。进一步对包括鸟、鳄、龟鳖、蛇蜥、鱼等41个物种的脊椎动物同源基因演化分析表明,SLC2A11B在鸟类经历显著的放松选择,支持了鸟类由非鸟恐龙祖先演化而来的历程中,被羽遮盖使得皮肤颜色在功能上成为冗余,不再受到自然选择压力,从而导致鸟类真皮层色素细胞消亡的假说,为理解鸟类色素多样性演化提供了新的视角。

基因组分析发现SLC2A11B功能缺失突变决定家鸽白眼性状并与鸟类眼色多样性相关(Si et al. 2021, PLoS Gen)

罗述金课题组生命科学联合中心2016级博士研究生司思和徐霄副研究员为本文共同第一作者。罗述金研究员、徐霄副研究员,中科院动物所邹征廷研究员为共同通讯作者。该项目得到国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、生命科学联合中心的资助。

原文链接:https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1009770

Si S, Xu X, Zhuang Y, Gao X, Zhang H, Zou Z, Luo SJ. (2021) The genetics and evolution of eye color in domestic pigeons (Columba livia). PLoS Genetics 17(8): e1009770.